包钢新型低成本700MPa级复相钢的研究和试制

刘彦春1，2刘元磊3张广义3刘相华1井溢农2

（1、东北大学博士后流动站，辽宁 沈阳 110006； 2、包钢博士后工作站，内蒙 古包头 014010；3、山东东岳专用汽车制造有限公司技术部 山东 济宁 272000）

摘 要 介绍包钢一种新型低成本700MPa级高强复相钢板的试制情况；在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）上，通过添加微量合金元素Cr，控制热连轧后先共析铁素体析出量，利用复相化及相变强化机制，使试验钢获得良好的强、塑综合性能，强塑积（Rm×A50）达19000以上，用于一款新型轻量化自卸车车厢板的试制。

关键词 低成本，复相钢，相变强化，轻量化，自卸车

引 言

针对汽车制造行业日趋提高的轻量化技术要求，2012年2月，东北大学、包钢和山东东岳专用汽车制造有限公司（以下简称东岳公司），联合开发试制了一种低成本700MPa级高强度、高成形性能的复相钢带（Complex Phase Steel），专门用于东岳公司一款轻量化概念自卸车的设计制造。在当前钢材市场低利润的严峻形势下，综合考虑钢厂制造成本和汽车制造商原材料采购成本，决定采用“不依赖合金元素添加量”的强化机制，即：细晶强化和相变强化[1，2，3]，来降低新产品制造成本，同时为钢厂及下游用户创造新的利润空间，在激烈的市场竞争中，实现双赢。

本文简要介绍包钢新型低成本700MPa级高强钢板的试制情况，在包钢技术中心Formastor-F型热膨胀仪上进行热模拟试验，测定试验钢的连续冷却转变曲线（CCT），研究微量Cr对γ→α先共析转变的抑制作用，并以此为依据，控制700MPa级复相钢微观组织中塑性相和强化相的比例；工业试验在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）上进行，采用控制轧制和控制冷却工艺，使试验钢获得了良好的强、塑综合性能，其中：抗拉强度达735MPa以上，延伸率（A50）达25%以上，小批量50吨供东岳公司新款轻量化概念自卸车设计、制造及路试。

1 热模拟实验及结果

1.1 热模拟实验过程

为研究微量Cr对γ→α先共析转变的影响规律，采用表1中两种成分实验钢进行对比实验，试验钢为包钢技术中心150公斤真空炉冶炼。

表1 实验钢实测化学成分（质量分数，%）

序号 1# 2# C 0.065 0.067 Mn 1.47 1.45 Si 0.22 0.25 S 0.008 0.009 P 0.012 0.013 Cr —— 0.28 两种试验钢钢坯经锻造、轧制成8厚两种实验钢板样，沿轧制方向，加工成Φ3×10mm热模拟试样若干。实验在日本富士电波公司Formastor-F膨胀仪上进行，分别将两组试样以10℃/s的速度加热至900℃，保温10分钟，再分别以1、2、4、8、16和32℃/s的冷却速度降至200℃。记录连续降温过程中的“温度-膨胀量”曲线，在电偶下2mm处截断，制取金相试样，用4%酒精溶液腐蚀，在Zeiss显微镜及图像分析仪上观察微观组织并拍摄照片，图1为热模拟实验工艺示意图。

温度，℃ 900℃，10min 10℃/s 16℃/s 4℃/s 32℃/s 8℃/s 2℃/s 1℃/s 时间，s

图1 热模拟实验工艺示意图

1.2 热模拟实验结果

图2为不同冷却速度下两种实验钢的光学显微组织。图2中（a-1）至（e-1）依次为1#试样在1、4、8、16和32℃/s冷却速度的微观组织；图2中（a-2）至（e-2）依次为2#试样在1、4、8、16和32℃/s冷却速度的微观组织。

(a-1) (a-2)

(b-1) (b-2)

(c-1) (c-2)

(d-1) (d-2)

(e-1) (e-2)

图2 不同冷速下两实验钢光学显微组织，其中，（a-1）至（e-1）为1#试样，冷速依次为1、4、8、16和32℃/s；（a-2）至（e-2）为2#试样，冷速依次为1、4、

8、16和32℃/s。

从图2（a-1）和（a-2）中看出，在1℃/s冷却速度下，两实验钢在先共析转变温度范围内，转变时间或C原子扩散时间均较充分，先共析铁素体为等轴状晶粒。铁素体体积分数均在90%以上，接**衡态体积分数，即：1-[C]/0.77。微量的Cr并未明显表现出减缓或抑制奥氏体分解速度的作用。

从图2（b-1）和（b-2）中看出，4℃/s 冷速下，冷却速度加快，过冷度增加，铁素体形核能增加，单位体积内铁素体形核数量增加；虽然较快的冷速对铁素体长大起抑制作用或减缓作用，但由于单位体积内，铁素体晶粒数量的增多，铁素体晶粒长大的极限体积明显被减小，因此，扩散型的先共析转变仍然很充分，两实验钢的铁素体晶粒仍为等轴状。在较快的冷却速度下，Cr原子对奥氏体分解（先共析转变）的抑制作用或减缓作用表现出来。

从图2（c-1）和（c-2）中看出，在8℃/s 冷速下，随着冷速进一步提高，先共析转变铁素体晶粒被进一步细化。对比两实验钢微观组织，含Cr实验钢中先共析铁素体仍为等轴状，剩余奥氏体转变产物增多，剩余奥氏体体积相对较低冷速条件下显著减小，但与同冷速条件下的不含Cr钢相比，空间体积仍较大，多数为等轴状，且体积分数相对较多；不含Cr实验钢中剩余奥氏体空间体积较小，形态不规则。其中，2#含Cr实验钢中先共析铁素体体积分数为85%，1#不含Cr实验钢中先共析铁素体体积分数92%。Cr表现出对先共析转变的抑制作用。

从图2（d-1）和（d-2）中看出，在16℃/s 冷速下，两实验钢组织形态区别明显，1#不含Cr实验钢中铁素体体积分数仍在90%以上，2#含Cr实验钢中铁素

体体积分数降至约80%； 当冷速提高至32℃/s时，1#不含Cr实验钢中铁素体体积分数仍在90%以上，含Cr实验钢中铁素体体积分数降至约70%，如图2（e-1）和（e-2）。另外，在大冷速下，等轴状铁素体减少，针状铁素体量增加。 1.3 微量Cr的作用

Cr在钢中可与Fe形成连续固溶体，缩小奥氏体相区域；Cr可与C形成多种化合物，与C的亲合力大于铁、锰，低于钨、钼；Cr还能使珠光体和奥氏体中C的极限溶解度降低，减缓奥氏体分解速度，并提高钢的淬透性。

图3（a）为两实验钢CCT曲线，Cr的加入使贝氏体转变区间向左“移动”，先共析转变温度区间略有提高，表现出缩小奥氏体相区域的作用。图3（b）为两实验钢铁素体体积分数与冷却速度的关系，随着冷却速度提高，2#含Cr钢铁素体量明显减少，剩余奥氏体量随之增加，这就表现出减缓奥氏体分解速度（先共析转变）的作用。

1000100 含Cr实验钢800AF 不含Cr实验钢80铁素体体积分数，%600PB60温度，℃ 1#不含Cr实验钢40400 2# 含Cr实验钢2002001101001000005101520253035

（a） （b）

时间，s冷却速度，℃/s

图3 实验钢CCT曲线及铁素体体积分数与冷却速度的关系

根据实验结果，实验钢中添加微量的合金元素Cr，可在较快的冷却速度条件下，抑制先共析转变，降低铁素体的体积分数，这就为提高第二相（强化相）体积分数，提高抗拉强度提供了可能。

2 工业试验过程及结果

2.1 工业试验过程

工业试验在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）进行，工艺路线为：铁水预处理，210吨转炉顶底复合吹炼，LF精炼处理，薄板坯连铸，隧道炉内均热，7机架热连轧，轧后冷却采用层流冷却，强力冷却，随后卷取，如图4。

强力冷却 层流冷却卷取机

图4 包钢薄板坯连铸连轧生产线工艺装备简图

表2为两种化学成分试验钢冶炼控制范围，均采用低碳成分设计，其中，1#试验钢为添加Cr，2#试验钢添加微量Cr。薄板坯厚度为67mm，经隧道炉均热，出炉温度约为1100℃，终轧温度约830℃，层流冷却后温度为500℃，卷取温度为120℃，成品厚度为4mm。在带钢尾部开卷取样，制成标准拉伸试样，测量力学性能；以4%酒精溶液腐蚀金相试样，用LEO扫描电子显微镜拍摄微观组织照片。

表2 包钢热轧双相钢化学成分控制范围

序号 1# 2#

C ≤0.07 ≤0.07

Si ≤0.55 ≤0.55

Mn ≤1.60 ≤1.60

Cr —— ≤0.40

Ti ≤0.02 ≤0.02

P ≤0.015 ≤0.015

S ≤0.010 ≤0.010

2.2 工业试验结果 2.2.1 力学性能

表3为试验钢实测力学性能。含Cr钢屈服和抗拉强度相对较高，延伸率比不含Cr钢略有下降，试验钢强塑积（Rm×A50）均超过19000，钢材具有可观的强、塑综合性能。

表3试验双相钢实测力学性能

序号 1#-1 1#-2 2#-1 2#-2 厚度，mm 4.0 4.0 4.0 4.0 屈服强度（Rp0.2） 抗拉强度（Rm） MPa 480 475 495 505 MPa 705 685 735 740 A50,% 27 28 26 25 强塑积（Rm×A50） 19305 19740 19110 19240 2.2.2 微观组织

图5为两种试验钢微观组织扫描电镜照片，其中，图5（a）为1#不含Cr试验钢，图5（b）为2#含Cr试验钢，可以看出，不含Cr试验钢中先共析铁素体为多边形，约占75%，贝氏体体积分数相对较少，约占25%；含Cr钢中先共

析铁素体为针状，约占50%，贝氏体约占50%。这与热模拟试验的结果是一致的，Cr表现出对先共析转变的抑制作用，减少了先共析转变产物的体积分数，增加了第二相体积分数。

图5 两种试验钢微观组织扫描电镜照片，其中，（a）1#试验钢，（b）2#试验钢

2.3.3 强化机理

根据试验钢的组织和性能结果，先共析转变后，剩余奥氏体转变产物的体积分数、组织形态，决定了钢材的最终抗拉强度指标。本文试制的700MPa级钢，采取组织复相化，来同时获得强度和塑性，即通过先共析转变，获得塑性较好的多边形铁素体及针状铁素体，通过增加贝氏体体积分数，获得较高的抗拉强度，其强化机制属于相变强化。Cr在本文研制的700MPa级钢中的主要作用，并不是固溶强化，而是抑制先共析铁素体析出，增加第二相（强化相）的比例。

3 结论

（1）在C-Mn系钢成分基础上，添加微量合金元素Cr，在CSP线上采用控轧控冷工艺，试制出一种低成本700MPa级高强复相钢，抗拉强度达735MPa，延伸率达25%；

（2）在C-Mn钢中，添加微量的Cr，可以抑制先共析转变，减少先共析铁素体析出量，增加剩余奥氏体转变产物（第二相）的体积分数；

（3）利用微合金化和工艺控制等手段，控制钢中强化相和塑性相的比例，实现组织复相化，可以获得理想的强、塑综合性能。

参考文献

[1] 金志浩等. 环境材料的先进性与相对性[J]. 兰州大学学报, 1996, 32: 17~21. [2] 刘江龙. 环境材料导论[M]. 北京, 冶金工业出版社, 1999. [3] 王天民. 生态环境材料[M]. 天津, 天津大学出版社, 2000.